Вперед, за прогрессом! Компьютеры будущего. Часть 1
Вперед, за прогрессом! Компьютеры будущего. Часть 1
Повторять еще раз, что компьютеры не просто вошли в нашу жизнь, но и прочно закрепились в ней, не стоит. Также не стоит и грустить по поводу того, что обойтись без компьютеров человечество не в силах даже теоретически (о практических экспериментах речь даже не идет — это удел писателей-фантастов:)). Поговорим о будущем, о перспективах и надеждах ведущих "компьютеропроизводителей", о том, про что мы читали в книгах все тех же вышеупомянутых литераторов.
Итак, приступим-с… Я думаю, вы уже не раз слышали о квантовых, оптических, молекулярных и нейронных компьютерах. Экзотика, скажете вы. Отнюдь. Все это уже буквально на пороге. Разработки ведутся уже достаточно давно. Правда, информация встречается довольно скудная и поверхностная. В дебри мы вдаваться не будем, но попробуем немного разобраться в принципах их работы и вообще решить — нужны ли они нам…
В развитии вычислительной техники можно выделить следующие этапы:
1. Механические устройства (вычислительная машина Бэббиджа).
2. Флагманы 40-50-х годов — ламповая вычислительная техника.
3. Громоздкие и постоянно греющиеся лампы в вычислительной технике быстро вытесняют транзисторы.
4. На смену транзисторной вычислительной технике приходят машины на интегральных микросхемах (ИМС).
Достигнуты огромные скорости, о которых еще недавно и не мечтали. Но неимоверные объемы передаваемой информации и космические программы не дают останавливаться на достигнутом. Однако все чаще слышатся предостережения ученых о скором достижении пределов полупроводниковых технологий. И что же дальше? Ведь запросы не уменьшаются, а продолжают расти едва ли не в геометрической прогрессии. А дальше придется искать альтернативу полупроводниковым устройствам.
Начнем рассмотрение альтернатив с оптических компьютеров. Это одно из ведущих направлений в исследованиях по разработке новых видов компьютеров. Можно выделить три основных направления использования оптических методов в вычислительной технике:
1) использование аналоговых интерференционных оптических вычислений для решения специальных задач;
2) использование оптических соединений для передачи сигналов в вычислительной технике, т.е. создание чисто оптических или гибридных (оптоэлектронных) соединений вместо обычных, менее надежных, электронных соединений. При этом компьютер обретает новые элементы — оптоэлектронные преобразователи электрических (аналоговых) сигналов в оптические и обратно;
3) но самым перспективным является создание компьютера, полностью состоящего из оптических устройств обработки информации.
Исследования на фронте оптических компьютеров идут не первый год, направление уже не новое. У некоторых фирм есть определенные достижения в этой области. Наиболее интенсивно в этой сфере с 80-х годов ведут свои исследования MIT, Sandia Laboratories, Intel и IBM. Как видим, развитием оптических технологий занимаются настоящие гиганты компьютерной индустрии. И учитывая их прежние достижения и опыт можно ожидать от них серьезных разработок и в этой области.
Основное внимание мы будем уделять компьютерам, полностью состоящим из оптических компонентов. А из основных компонентов можно назвать следующие:
1) транзисторы (именно оптические транзисторы, а не привычные нам полупроводниковые);
2) триггеры;
3) ячейки памяти;
4) носители информации.
Каков же принцип работы этих компонентов оптических компьютеров? В основе их работы лежит принцип бистабильности. Разберемся с этим понятием. Оптическая бистабильность — это одно из проявлений взаимодействия света с веществом. В чем же оно состоит? А дело в том, что определенной интенсивности и поляризации падающего на вещество излучения могут соответствовать только два возможных стационарных состояния световой волны, прошедшей через вещество. Эти два состояния могут отличаться амплитудой или параметрами поляризации либо и тем, и другим. Важно обратить внимание, что предыдущее состояние вещества однозначно определяет, какое из двух состояний волна будет иметь на выходе. Эти два состояния являются аналогом "1" и "0" в полупроводниковых системах.
Чтобы лучше разобраться с оптической бистабильностью, поясним ее на примере гистерезиса. Если увеличить интенсивность падающего на вещество светового луча до некоторого значения I1, то произойдет резкое возрастание интенсивности прошедшего луча. А на обратном ходе при уменьшении интенсивности падающего луча до некоторого значения I2< I1 интенсивность прошедшего луча некоторое время остается постоянной, а потом резко падает.
Определенно два значения интенсивности прошедшего луча соответствуют интенсивности падающего луча и зависят от предыдущего оптического состояния поглощающего вещества. Логические устройства оптических компьютеров базируются на основе пассивных нелинейных резонаторов — интерферометров. В резонаторе оптический процесс завершается установлением одного из двух устойчивых состояний. Какое состояние будет установлено, зависит от начальных условий. Но для создания оптического компьютера необходимы и более сложные логические элементы (триггеры). А для их создания необходимо всего лишь несколько резонаторов. Тут уж все просто.
Что же собой представляют эти пассивные нелинейные резонаторы? Это многослойные полупроводниковые структуры, при детальном рассмотрении состоящие из чередующихся тонких эпитаксиальных пленок из GaAs и InP (или ZnSe). Эти слои формируют сверхрешетку. Положительным моментом резонаторов являются их очень малые время (10-8-10-9 секунд) и энергия переключения.
Теперь о памяти. Элементами памяти оптических компьютеров являются полупроводниковые нелинейные оптические интерферометры. Они, в основном, выполняются из GaAs. Число атомов, для которого устойчиво наблюдается оптическая бистабильность, определяет минимальный размер оптического элемента памяти (это примерно 1000 атомов, или 1-10 нанометров!). Основные характеристики оптических элементов памяти:
1. Время переключения оптических элементов памяти приблизительно в 1000 раз меньше, чем у полупроводниковых элементов, и может достигать долей пикосекунды.
2. Высокая защищенность от электромагнитных шумов.
3. Высокая надежность (количество переключений не ограничено).
Применение оптического излучения имеет целый ряд преимуществ по сравнению с электрическими сигналами. Назовем хотя бы пару из них: световые потоки могут пересекаться, в отличие от электрических; скорость распространения световых сигналов выше, чем у электрических, что очень важно для увеличения быстродействия компьютеров.
Каковы же перспективы использования оптических компьютеров? Нужны ли они вообще? Первейшей областью их применения, несомненно, являются коммуникации — особенно в наше время широкого распространения оптоволоконных линий связи. Каждый раз при передаче информации по таким каналам приходится преобразовывать ее из электрических сигналов в световые и обратно. Итог — потеря скорости. Оптокомпьютеры позволят обойтись без такого преобразования. Возможности применения электронных коммутаторов ограничивает быстродействие сетей 50 Гбит/с. Оптические же коммутаторы позволят достигнуть терабитных скоростей. Оптоволоконный кабель имеет теоретический предел пропускной способности 10 Гбит/с на один световой луч определенной длины волны в одном оптоволокне. Компания Quest Communications проложила оптический кабель с 96 волокнами, причем по каждому волокну может пропускаться до восьми световых лучей с разной длиной волны. Ученые работают над увеличением числа волн, которые можно будет пропускать по одному кабелю, для увеличения пропускной способности без замены самого кабеля.
Перспективы есть, и огромные! Ведь действительно качественную и быструю связь лучше всего обеспечивать при помощи оптоволоконных каналов. А полностью раскрыть потенциал оптоволокна могут лишь оптические компьютеры. И это уже не иллюзия. Такой компьютер собрать можно. Правда, по имеющимся на настоящий момент разработкам получается, что полностью оптический компьютер будет иметь размеры автомобиля. Однако разработки и исследования в этой области продолжаются, и к 2008 году исследователи из MIT обещают собрать полностью рабочий оптический компьютер. Ну что ж, будем надеяться, будем ждать…
Константин Дмитриевич Яшин, доцент,
Сергей Юшко aka Gedemin,
gedemin@tut.by
Продолжение следует
Повторять еще раз, что компьютеры не просто вошли в нашу жизнь, но и прочно закрепились в ней, не стоит. Также не стоит и грустить по поводу того, что обойтись без компьютеров человечество не в силах даже теоретически (о практических экспериментах речь даже не идет — это удел писателей-фантастов:)). Поговорим о будущем, о перспективах и надеждах ведущих "компьютеропроизводителей", о том, про что мы читали в книгах все тех же вышеупомянутых литераторов.
Итак, приступим-с… Я думаю, вы уже не раз слышали о квантовых, оптических, молекулярных и нейронных компьютерах. Экзотика, скажете вы. Отнюдь. Все это уже буквально на пороге. Разработки ведутся уже достаточно давно. Правда, информация встречается довольно скудная и поверхностная. В дебри мы вдаваться не будем, но попробуем немного разобраться в принципах их работы и вообще решить — нужны ли они нам…
В развитии вычислительной техники можно выделить следующие этапы:
1. Механические устройства (вычислительная машина Бэббиджа).
2. Флагманы 40-50-х годов — ламповая вычислительная техника.
3. Громоздкие и постоянно греющиеся лампы в вычислительной технике быстро вытесняют транзисторы.
4. На смену транзисторной вычислительной технике приходят машины на интегральных микросхемах (ИМС).
Достигнуты огромные скорости, о которых еще недавно и не мечтали. Но неимоверные объемы передаваемой информации и космические программы не дают останавливаться на достигнутом. Однако все чаще слышатся предостережения ученых о скором достижении пределов полупроводниковых технологий. И что же дальше? Ведь запросы не уменьшаются, а продолжают расти едва ли не в геометрической прогрессии. А дальше придется искать альтернативу полупроводниковым устройствам.
Начнем рассмотрение альтернатив с оптических компьютеров. Это одно из ведущих направлений в исследованиях по разработке новых видов компьютеров. Можно выделить три основных направления использования оптических методов в вычислительной технике:
1) использование аналоговых интерференционных оптических вычислений для решения специальных задач;
2) использование оптических соединений для передачи сигналов в вычислительной технике, т.е. создание чисто оптических или гибридных (оптоэлектронных) соединений вместо обычных, менее надежных, электронных соединений. При этом компьютер обретает новые элементы — оптоэлектронные преобразователи электрических (аналоговых) сигналов в оптические и обратно;
3) но самым перспективным является создание компьютера, полностью состоящего из оптических устройств обработки информации.
Исследования на фронте оптических компьютеров идут не первый год, направление уже не новое. У некоторых фирм есть определенные достижения в этой области. Наиболее интенсивно в этой сфере с 80-х годов ведут свои исследования MIT, Sandia Laboratories, Intel и IBM. Как видим, развитием оптических технологий занимаются настоящие гиганты компьютерной индустрии. И учитывая их прежние достижения и опыт можно ожидать от них серьезных разработок и в этой области.
Основное внимание мы будем уделять компьютерам, полностью состоящим из оптических компонентов. А из основных компонентов можно назвать следующие:
1) транзисторы (именно оптические транзисторы, а не привычные нам полупроводниковые);
2) триггеры;
3) ячейки памяти;
4) носители информации.
Каков же принцип работы этих компонентов оптических компьютеров? В основе их работы лежит принцип бистабильности. Разберемся с этим понятием. Оптическая бистабильность — это одно из проявлений взаимодействия света с веществом. В чем же оно состоит? А дело в том, что определенной интенсивности и поляризации падающего на вещество излучения могут соответствовать только два возможных стационарных состояния световой волны, прошедшей через вещество. Эти два состояния могут отличаться амплитудой или параметрами поляризации либо и тем, и другим. Важно обратить внимание, что предыдущее состояние вещества однозначно определяет, какое из двух состояний волна будет иметь на выходе. Эти два состояния являются аналогом "1" и "0" в полупроводниковых системах.
Чтобы лучше разобраться с оптической бистабильностью, поясним ее на примере гистерезиса. Если увеличить интенсивность падающего на вещество светового луча до некоторого значения I1, то произойдет резкое возрастание интенсивности прошедшего луча. А на обратном ходе при уменьшении интенсивности падающего луча до некоторого значения I2< I1 интенсивность прошедшего луча некоторое время остается постоянной, а потом резко падает.
Определенно два значения интенсивности прошедшего луча соответствуют интенсивности падающего луча и зависят от предыдущего оптического состояния поглощающего вещества. Логические устройства оптических компьютеров базируются на основе пассивных нелинейных резонаторов — интерферометров. В резонаторе оптический процесс завершается установлением одного из двух устойчивых состояний. Какое состояние будет установлено, зависит от начальных условий. Но для создания оптического компьютера необходимы и более сложные логические элементы (триггеры). А для их создания необходимо всего лишь несколько резонаторов. Тут уж все просто.
Что же собой представляют эти пассивные нелинейные резонаторы? Это многослойные полупроводниковые структуры, при детальном рассмотрении состоящие из чередующихся тонких эпитаксиальных пленок из GaAs и InP (или ZnSe). Эти слои формируют сверхрешетку. Положительным моментом резонаторов являются их очень малые время (10-8-10-9 секунд) и энергия переключения.
Теперь о памяти. Элементами памяти оптических компьютеров являются полупроводниковые нелинейные оптические интерферометры. Они, в основном, выполняются из GaAs. Число атомов, для которого устойчиво наблюдается оптическая бистабильность, определяет минимальный размер оптического элемента памяти (это примерно 1000 атомов, или 1-10 нанометров!). Основные характеристики оптических элементов памяти:
1. Время переключения оптических элементов памяти приблизительно в 1000 раз меньше, чем у полупроводниковых элементов, и может достигать долей пикосекунды.
2. Высокая защищенность от электромагнитных шумов.
3. Высокая надежность (количество переключений не ограничено).
Применение оптического излучения имеет целый ряд преимуществ по сравнению с электрическими сигналами. Назовем хотя бы пару из них: световые потоки могут пересекаться, в отличие от электрических; скорость распространения световых сигналов выше, чем у электрических, что очень важно для увеличения быстродействия компьютеров.
Каковы же перспективы использования оптических компьютеров? Нужны ли они вообще? Первейшей областью их применения, несомненно, являются коммуникации — особенно в наше время широкого распространения оптоволоконных линий связи. Каждый раз при передаче информации по таким каналам приходится преобразовывать ее из электрических сигналов в световые и обратно. Итог — потеря скорости. Оптокомпьютеры позволят обойтись без такого преобразования. Возможности применения электронных коммутаторов ограничивает быстродействие сетей 50 Гбит/с. Оптические же коммутаторы позволят достигнуть терабитных скоростей. Оптоволоконный кабель имеет теоретический предел пропускной способности 10 Гбит/с на один световой луч определенной длины волны в одном оптоволокне. Компания Quest Communications проложила оптический кабель с 96 волокнами, причем по каждому волокну может пропускаться до восьми световых лучей с разной длиной волны. Ученые работают над увеличением числа волн, которые можно будет пропускать по одному кабелю, для увеличения пропускной способности без замены самого кабеля.
Перспективы есть, и огромные! Ведь действительно качественную и быструю связь лучше всего обеспечивать при помощи оптоволоконных каналов. А полностью раскрыть потенциал оптоволокна могут лишь оптические компьютеры. И это уже не иллюзия. Такой компьютер собрать можно. Правда, по имеющимся на настоящий момент разработкам получается, что полностью оптический компьютер будет иметь размеры автомобиля. Однако разработки и исследования в этой области продолжаются, и к 2008 году исследователи из MIT обещают собрать полностью рабочий оптический компьютер. Ну что ж, будем надеяться, будем ждать…
Константин Дмитриевич Яшин, доцент,
Сергей Юшко aka Gedemin,
gedemin@tut.by
Продолжение следует
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 29 за 2004 год в рубрике hard :: технологии
